[논문]탄소섬유쉬트(CFRP Sheets)로 보강된 장주 각형강관기둥의 중심축하중거동

박재우; 최선규; 유정한

doi:10.7781/kjoss.2013.25.3.299

탄소섬유쉬트(CFRP Sheets)로 보강된 장주 각형강관기둥의 중심축하중거동
Behaviors of Long Square Hollow Section Columns Retrofitted using Carbon Fiber Reinforced Polymer Sheets(CFRP Sheets) Subjected to Concentrated Axial Loading 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.25 no.3 = no.124, 2013년, pp.299 - 305

박재우 ((주) 가윤, 건축부) , 최선규 (선영구조기술사건축사사무소) , 유정한 (서울과학기술대학교 건축학부)

초록
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본 연구에서는 각형 중공강관(SHS) 장주기둥에 CFRP쉬트를 길이방향으로 보강하여 중심축하중 실험을 수행하였다. 총 3개의 장주실험체와 1개의 stub column 실험체를 제작하였으며, 실험변수는 CFRP 보강겹수이다. 실험결과 장주기둥에 대해 실험체 중간에서 전체좌굴이 발생하며 횡변위가 발생하여 파괴되었지만, CFRP쉬트의 보강을 통해 전체좌굴을 제어하며 횡변위로 인한 안정성을 확보하였다. 또한 CFRP쉬트의 보강으로 최대 22%의 내력이 상승하여 내력상승효과를 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the experimental results of behacior of slender square hollow section columns strengthened with carbon fiber reinforced polymers (CFRP) sheets subjected to concentrated axial loading. Three long specimens were fabricated and one stub column were fabricated. The main parameters were the number of CFRP layers. From the tests, it was observed that global buckling were occurred at the center of specimen for unretrofitting slender column. However, CFRP retrofitting could prevent the global buckling of slender column. Maximum increase of 22% was also achieved in axial-load capacity with three longitudinal layered CFRP applied on four sides of steel tubes.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 건축구조기준(KBC 2009)^[7]과 미국 강구조설계기준(AISC LRFD 2010)^[8]에서 제시하는 비조밀단면 제한치 이하의 폭두께비로 구성된 각형강관기둥에서 중심축하중을 받는 세장비가 큰 장주기둥에 대해 CFRP 보강효과를 검증하고자 한다. 장주기둥은 Fig.
본 연구에서는 판폭두께비가 작은 비조밀단면으로 구성된 각형강관 장주기둥에 CFRP쉬트를 길이방향으로 보강한 장주 실험체 2개와 보강하지 않은 장주 실험체 1개를 제작하였고, 동일단면의 항복내력을 측정하고자 1 개의 보강하지 않은 stub column을 제작하여 중심압축실험을 수행하였다. 실험으로 부터 도출한 결론은 다음과 같다.
따라서 본 연구에서는 장주 강관기둥 3개를 제작하여 이중 2개의 실험체에는 길이방향으로 FRP쉬트를 보강하고 1개의 보강하지 않는 실험체를 제작한 후 중심축하중실험을 수행하였다. 실험을 통해 구조적 거동을 관찰하였고, 보강을 통한 내력상승효과를 관찰하여 보강효과를 검증하고자 한다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 장주 강관기둥 3개를 제작하여 이중 2개의 실험체에는 길이방향으로 FRP쉬트를 보강하고 1개의 보강하지 않는 실험체를 제작한 후 중심축하중실험을 수행하였다. 실험을 통해 구조적 거동을 관찰하였고, 보강을 통한 내력상승효과를 관찰하여 보강효과를 검증하고자 한다.
보강량에 대한 효과를 관찰하고자 0겹, 1겹, 3겹을 실험 변수로 채택하였다. 또한 장주의 세장효과로 인한 내력감소효과를 배제한 실제 강관의 압축항복내력을 관찰하고자 동일단면 강관의 stub column을 제작하였고 CFRP쉬트는 보강하지 않았다. stub column 실험체의 길이는 실험체 폭의 3.
중심축하중 실험을 수행하고자 2000kN급 만능시험기(UTM)를 이용하여 수행하였으며, 길이방향에 대한 변위를 측정하기 위해 만능시험기의 하부가력판 양 모서리에 2개의 LVDT를 설치하였으며 축변위는 2개의 수직 LVDT 측정값의 평균값으로 하였다. 또한 전체좌굴로 인해 횡변위가 발생할 것으로 예상되는 실험체 중앙부위에 Fig. 5와 같이 횡방향으로 2개의 LVDT를 설치하여 횡방향변위 값을 측정하였다. 실험체 중앙부 4면에는 Table 4와 같이 4개의 스트레인게이지를 실험체 하부에서 8,000mm 떨어진 곳에 길이방향으로 부착하여 변형률을 측정하였다.
1(a)의 개념을 토대로 Fig 1(b)와 같이 강관의 길이방향으로 보강하였으며 시방서에 따라 10일간 양생하였다. 보강량에 대한 효과를 관찰하고자 0겹, 1겹, 3겹을 실험 변수로 채택하였다. 또한 장주의 세장효과로 인한 내력감소효과를 배제한 실제 강관의 압축항복내력을 관찰하고자 동일단면 강관의 stub column을 제작하였고 CFRP쉬트는 보강하지 않았다.
4는 실험체 설치에 대한 사진이다. 중심축하중 실험을 수행하고자 2000kN급 만능시험기(UTM)를 이용하여 수행하였으며, 길이방향에 대한 변위를 측정하기 위해 만능시험기의 하부가력판 양 모서리에 2개의 LVDT를 설치하였으며 축변위는 2개의 수직 LVDT 측정값의 평균값으로 하였다. 또한 전체좌굴로 인해 횡변위가 발생할 것으로 예상되는 실험체 중앙부위에 Fig.

성능/효과

(1) 장주기둥에 대해 전체좌굴이 발생하면 휨좌굴로 인한 횡변위가 발생하게 되는데 길이방향으로 CFRP쉬트 보강하여 인장력이 발생하는 면에서 인장보강효과를 통해 전체좌굴의 지연 및 좌굴하중을 상승시킬 수 있었다.
(2) SH38-0P실험체와 SH38-1P실험체는 각각 하부에서 상부에서 7,500mm, 5,500mm 떨어진 곳에서 전체좌굴이 발생하였고 전체좌굴로 인한 횡변위가 발생하였다. 그러나 SH38-3P실험체는 충분한 양의 보강량 때문에 나머지 두 실험체와는 달리 전체좌굴이 발생하지 않고 하단부위에서 국부좌굴이 발생하였으며, 이후 CFRP쉬트가 파단으로 실험체가 파괴 되었다.
(3) 내력분석결과 CFRP쉬트의 보강겹수에 따라 13%, 22%의 내력이 상승하여 보강효과를 검증할 수 있었다. 장주기둥에서 무보강실험체와 1겹보강 실험체는 전체좌 굴의 영향으로 stub column대비l 내력이 16%, 5% 저하되지만 CFRP쉬트를 3겹보강한 실험체는 stub column의 항복내력수준까지 내력을 상승시켜 전체좌굴의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
(4) 하중-횡변위 곡선에서 보강량이 증가함에 따라 전체좌굴로 인한 횡변위가 감소하는 것으로 나타났으며, CFRP쉬트 보강으로 전체좌굴 때문에 발생하는 횡변위에 대해 안정성을 확보할 수 있음을 확인하였다.
Fig. 10에서 알 수 있듯이 보강량이 증가함에 따라 전체좌굴에 의한 횡변위가 감소하는 것으로 나타났으며, SH38-3P 실험체는 전체좌굴이 발생하지 않아 횡변위는 약 3mm정도로 거의 없는 것으로 나타났다. 따라서 하중-횡변위 곡선을 통해 알 수 있듯이 CFRP쉬트의 보강이 장주실험체에서 나타나는 전체좌굴로 인한 횡변위를 제어하여 전체좌굴에 대한 안정성을 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.
각 실험체는 최대내력이후 원만한 하중감소현상을 보이고 있으며, SH38-0P실험체의 경우 세장비로 인한 전체좌굴의 영향으로 내력이 항복내력 값(P_y)보다 저하됨을 알 수 있다. 그러나 CFRP쉬트로 보강한 SH38-1P실험체는 13%의 내력상승으로 항복내력 근처까지 내력이 상승하였고, SH38-3P 실험체는 22%의 내력상승으로 항복내력값을 초과하여 보강효과를 검증할 수 있었다.
)보다 저하됨을 알 수 있다. 그러나 CFRP쉬트로 보강한 SH38-1P실험체는 13%의 내력상승으로 항복내력 근처까지 내력이 상승하였고, SH38-3P 실험체는 22%의 내력상승으로 항복내력값을 초과하여 보강효과를 검증할 수 있었다. Fig.
또한 최대내력점 이후 변형율의 급격한 변화를 관찰할 수 있는데, 이는 최대내력이후 국부좌굴이 발생하여 급격한 변형율이 발생하였기 때문이다. 따라서 SH38-3P실험체는 전체좌굴이 발생하지 않고, 내력이 stub column의 항복내력까지 상승함과 동시에 국부좌굴이 발생으로 변형율이 급격히 변화하였기 때문에 장주가 아닌 단주와 같이 거동함을 확인할 수 있다.
실제로 항복내력(P_y)과 장주실험체의 최대내력을 비교한 결과 Fig 9의 분석과 같이 SH38-0P, SH38-1P실험체는 전체좌굴의 영향으로 stub column의 항복내력보다 각각 16%, 5% 정도 내력이 저하됨을 알 수 있지만, SH38-3P실험체는 전체좌굴로 인한 내력저하 없이 2% 정도 내력이 상승한 것으로 나타났으며, stub column의 항복내력 수준까지 내력을 발휘하는 것으로 나타났다. 따라서 충분한 양의 보강량은 장주실험체에서 전체좌굴에 지배를 받지 않고 국부좌굴에 영향을 받게 되며 부재의 내력은 항복내력까지 상승시켜 전체좌굴의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
10에서 알 수 있듯이 보강량이 증가함에 따라 전체좌굴에 의한 횡변위가 감소하는 것으로 나타났으며, SH38-3P 실험체는 전체좌굴이 발생하지 않아 횡변위는 약 3mm정도로 거의 없는 것으로 나타났다. 따라서 하중-횡변위 곡선을 통해 알 수 있듯이 CFRP쉬트의 보강이 장주실험체에서 나타나는 전체좌굴로 인한 횡변위를 제어하여 전체좌굴에 대한 안정성을 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.
다만 SH38-3P실험체는 충분한 CFRP쉬트 보강량 때문에 강관에서 전체좌굴이 발생하지 않고 stub column의 파괴모양과 같이 실험체 하부에서 국부좌굴이 발생하며 파괴하게 되었다. 실제로 항복내력(P_y)과 장주실험체의 최대내력을 비교한 결과 Fig 9의 분석과 같이 SH38-0P, SH38-1P실험체는 전체좌굴의 영향으로 stub column의 항복내력보다 각각 16%, 5% 정도 내력이 저하됨을 알 수 있지만, SH38-3P실험체는 전체좌굴로 인한 내력저하 없이 2% 정도 내력이 상승한 것으로 나타났으며, stub column의 항복내력 수준까지 내력을 발휘하는 것으로 나타났다. 따라서 충분한 양의 보강량은 장주실험체에서 전체좌굴에 지배를 받지 않고 국부좌굴에 영향을 받게 되며 부재의 내력은 항복내력까지 상승시켜 전체좌굴의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
(3) 내력분석결과 CFRP쉬트의 보강겹수에 따라 13%, 22%의 내력이 상승하여 보강효과를 검증할 수 있었다. 장주기둥에서 무보강실험체와 1겹보강 실험체는 전체좌 굴의 영향으로 stub column대비l 내력이 16%, 5% 저하되지만 CFRP쉬트를 3겹보강한 실험체는 stub column의 항복내력수준까지 내력을 상승시켜 전체좌굴의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
최대내력비교결과는 Fig. 8의 결과와 같이 CFRP쉬트 보강겹수가 증가함에 따라 각각 13%, 22% 상승하는 것으로 나타났다.

후속연구

이는 Table 3의 CFRP쉬트에 대한 소재실험결과 CFRP쉬트의 경우 강재에 비해 탄성계수가 낮은 저탄성 CFRP쉬트이기 때문에 하중변위곡선에서 초기구간(탄성구간)에서 보강으로 인해 강도는 증가하여도 강성이 저하가 됨을 알 수 있었다. 따라서 추후 고탄성 CFRP쉬트를 사용한 추가실험이 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강판 자체의 한계점은 무엇인가?	그러나 강판보강법은 볼트구멍으로 인한 모재의 단면손실이나 용접 열로 인한 잔류응력으로 모재에 변형이 생기는 등 많은 단점이 있다. 또한 강판 자체는 중량재료로서 자중이 증가하고, 시공성이 떨어지며, 보강재료로 사용된 강판 또한 부식이 발생하는 단점이 있다.
	강판보강법의 단점은 무엇인가?	일반적으로 강구조물을 보수 보강에는 강판에 볼트나 용접을 이용하는 접합하는 강판보강법이 널리 사용되어 왔다. 그러나 강판보강법은 볼트구멍으로 인한 모재의 단면손실이나 용접 열로 인한 잔류응력으로 모재에 변형이 생기는 등 많은 단점이 있다. 또한 강판 자체는 중량재료로서 자중이 증가하고, 시공성이 떨어지며, 보강재료로 사용된 강판 또한 부식이 발생하는 단점이 있다.
	섬유보강플라스틱의 장점은 무엇인가?	최근 기존의 강판보강법에 대한 고정관념을 탈피하여 해외를 중심으로 강구조물의 섬유보강플라스틱(Fiber reinforced polymer plastic, 이하 FRP)은 적용한 보수보강에 대한 연구가 진행되고 있으며, 실제로 시공현장에서도 다양하게 적용되고 있다[1]. FRP는 강판에 비해 경량재이기 때문에 시공성이 간편하고, 강한 내부식성을 지니고 있다. FRP는 강판보다 약 5-10배 정도의 인장강도를 지니고 있어 적은 보강량으로 높은 보강효과를 기대할 수 있다. 또한 보수보강 시공시 에폭시를 사용해 접착하기만 하면 되므로 시공이 간편하고, 볼트구멍으로 인한 모재의 단면손실이 발생하지 않는다. 기존 강구조물의 FRP보강에 대한 연구내용을 고찰하면 Miller et al.

참고문헌 (11)

Xiao, X.L. and Zhang, L. (2006) State-of-the art Review on FRP Strengthened Steel Structures, Engineering Structures, Vol. 29, pp.1808-1823.
Miller, T.C., Chajes, M.J., Mertz, D.R., and Hastings, J.N. (2001) Strengthening of a Steel Bridge Girder Using CFRP Plates, J. Bridge. Eng., ASCE, Vol. 6, No. 6, pp.514-522.

상세보기
Colombi, P. and Poggi, C. (2006) An experimental, Analytical and Numerical Study of the Static Behavior of Steel Beams Reinforced By Pultruded CFRP Strips, J. of Composites, Vol. 37, pp.64-73.

상세보기
Narmashiri, K., Jumaat, M.Z., and Ramli Sulong, N.H. (2010) Shear Strengthening of Steel I-Beams by using CFRP strips, Scientific Research and Essays, Vol. 5, No. 16, pp.2155-2168.
박재우, 유정한, 최선규, 류재용, 최성모(2012) 세장판으로 구성된 각형강관 단주의 탄소섬유쉬트 보강, 한국강구조학회학술발표대회논문집, 한국강구조학회, pp. 81-82. Park, J.W., Yoo, J.H., Choi, S.K., Ryu, J.H., and Choi, S.M. (2012) Carbon Fiber Sheets Reinforcement of Square Steel Short Columns with Slender Plates, Conference Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, pp.81-82 (in Korean).
박재우, 최선규, 최성모, 송동엽, 유정한(2012) 탄소섬유 쉬트(CFRP Sheets)로 보강된 세장한 각형강관기둥의 중심축하중실험, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제24권, 제6호, pp.735-742. Park, J.W., Choi, S.K., Choi, S.M., Song, D.Y., and Yoo, J.H. (2012) Concentrated Axial Loading for Slender Square Hollow Section Reinforced by Carbon Fiber Reinforced Polymer Sheets(CFRP Sheets), Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol. 24, No. 6, pp.735-742 (in Korean).

원문보기 상세보기
대한건축학회(2009) 건축구조설계기준 및 해설(KBC 2009), 기문당. AIK (2009) Korea building code and commentary - structural, Architectural Institute of Korea (in Korean).
AISC (2010) Specification for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, USA.
Teng, J.G. (2007) Behavior of FRP-jacketed circular steel tubes and cylindrical shells under axial compression, Construction and Building Materials, Vol. 21, pp.827-838.

상세보기
KS (2007) KS B 0801, 금속재료인장시험편. KS (2011) KS B 0801, Test pieces for tensile test for metallic materials (in Korean).
ASTM (2008) ASTM D 3039, Standard test method for tensile properties of polymer matrix composites.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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